動作捕捉系統發展與應用

1、動作捕捉是什麼？

動作捕捉需要讓演員穿上布滿小球的緊身服，然後四處走動。簡單來說，電影或遊戲製作者希望把演員複雜的肢體和面部動作傳遞到動畫角色身上。這一過程甚至可以不用電腦。

動畫師Max Fleisher早在1914年就發明了逐幀轉描（rotoscoping），這種方法只是單調地一幀幀跟蹤實拍畫面，從而創建卡通動畫（著名作品《墨水瓶人》）。動畫長片中首次使用逐幀轉描是迪士尼1937年的《白雪公主和七個小矮人》。

即便動畫師是手工製作角色動畫，他們往往也參考視頻素材，學習演員的表演，甚至是直接拿鏡子照著自己畫。數字時代的手工動畫被稱為「關鍵幀動畫」，也就是順序地填充不同關鍵幀之間的角色運動。

為了自動完成這一過程，動畫師們開始使用動作捕捉。西蒙弗雷澤大學生物動力學研究員Tom Calvert開創性地發明了機械動捕服。有一家公司開發了「Waldo」面部和肢體捕捉設備，同時，麻省理工開發了基於LED的「圖形木偶」，這也是首批光學動作跟蹤系統。這一系統的早期動畫典例便是Kleiser-Walczak製作的臭名昭著且令人毛骨悚然的MV《Don’t Touch Me》。

早期，動作捕捉還是攝影棚專屬的技術，演員穿著緊身服，被專門的攝影機和燈光圍在空蕩蕩的舞臺中央。

《阿凡達》提出了「表演捕捉」的概念，包含多名演員，能夠捕捉面部甚至嘴唇動作。）。

《黑色洛城》等遊戲也大幅提升了面部和全身動作捕捉的真實感。

《指環王》把動作捕捉從攝影棚帶到了片場，讓頂級動作捕捉演員安迪·瑟金斯表演咕嚕，並與其他演員交互。片場動作捕捉如今已經成為電影中數字角色製作的標準流程，例如《猩球黎明》（同樣是安迪·瑟金斯主演）

2、動作捕捉的原理是什麼？

動作捕捉將演員的運動傳遞給數字角色。使用跟蹤攝像機（有無跟蹤點均可）的系統可稱為「光學動作捕捉」，而基於測量慣性和機械運動的系統則是「非光學動作捕捉」。

後者的一個例子是XSens MVN慣性動作捕捉服，Seth Rogan藉此表演《保羅》中的外星人。最近又出現了一些新技術，例如Leap Motion的手指跟蹤深度攝像機系統和MYO的腕帶，可以識別手臂和手腕的肌肉活動。Google的Tango手機主要用於3D製圖，但是其類似於Kinect的深度感光晶片也可以用於動作捕捉。

光學系統通過在三維坐標系中跟蹤標記點或特徵區的位置，並整合這些數據來近似獲得演員的運動。主動式系統使用的標記點會亮光或閃爍，而被動式系統則使用靜態的物體，例如白球或顏料點（後者常用於面部捕捉）。

無標記點系統使用類似於運動匹配（match-moving）軟體的算法來跟蹤特定的特徵，例如演員的衣服或鼻子，而無需標記點。一旦捕捉到運動，數據可以通過Autodesk MotionBuilder之類的軟體映射到動畫角色的虛擬「骨骼」上。然後呢？動畫角色自然就像真人演員一樣動起來了。

很難預測演員的運動會如何傳遞到動畫角色身上，因此詹姆斯·卡梅隆為《阿凡達》開發的「虛擬攝影」技術就派上了用場。簡單來說，這項技術可以在虛擬場景中實時顯示數字角色跟真人演員的交互，因此導演可以觀察這一粗略的「表演」。這涉及到大量的數學，但是當今的電腦和圖形卡以及足以解決這些難題。以下視頻來自Weta Digital的《霍比特人：史矛革荒漠》製作花絮，展現了這一流程。

3、動作捕捉要多少錢？

涉及到三維動畫的沒有便宜的，包括動作捕捉。但是跟任何數位技術一樣，價格都是在逐漸下降的。最便宜的方案，可以在家使用Kinect和iPi Motion Capture軟體進行無標記點式動作捕捉，這只需要295美元。

而在高端領域，EA的新動作捕捉棚戰地18000平方英尺，使用最新的Vicon Blade軟體和132個Vicon攝像頭。我們不知道這到底要多少錢，但是兩個Vicon攝像頭的系統加上軟體就得12500美元。（而且你還得需要MotionBuilder軟體來把動作捕捉數據映射到數字角色，一個授權就得4200美元）。儘管價格昂貴，據說動作捕捉還是只佔同量級手工動畫成本的四分之一到一半，並且真實感更強。

4、關於動作捕捉的爭論？

因為它很難取代任天堂風格的遊戲，以及傳統的手工動畫，例如《千與千尋》和華納的《兔八哥》系列。這些經典角色都是Chuck Jones、宮崎駿之類的動畫巨匠應用藝術靈感、通過上千小時的手工動畫來完成的。

雖然瑟金斯的動作捕捉表演對於精神分裂的Gollum來說是不可忽視的，但是仍需要動畫師做大量的關鍵幀來優化角色。然而，Serkis卻認為角色完全是他演的，而把動畫師的工作稱為「數位化妝「。

對於製片人來說，動作捕捉可能在價格上很誘人，但是大多數情況下，動作捕捉的數據都沒法直接用，通常都需要大量的數據清理工作，最終的結果也很可能便宜製片人的初衷。假如角色動畫接近人類，但並不完全一致，你就掉進了「詭異谷」，觀眾一定會很不爽。相比之下，我們最近看到了一部迷人的視頻遊戲《Cuphead》，這是用上世紀的傳統手工動畫技法製作的。

5、國內動作捕捉現狀和一般配置？

200平米，11米高；使用24個光學動作捕捉camera，場地租金大概6000元/天，數據處理40～200元/秒；上海青瞳視覺自主研發被動紅外光學動作捕捉系統，內部動作捕捉工作室長期對外租賃以及技術交流。

6、幾種動捕技術對比？

技術之一：機械式運動捕捉

機械式運動捕捉依靠機械裝置來跟蹤和測量運動軌跡。優點：成本低，精度也較高，可以做到實時測量，還可容許多個角色同時表演。缺點：使用起來非常不方便，機械結構對表演者的動作阻礙和限制很大。

技術之二：聲學式運動捕捉

常用的聲學式運動捕捉裝置由發送器、接收器和處理單元組成。優點：裝置成本較低。缺點：對運動的捕捉有較大延遲和滯後，實時性較差，精度一般不很高，聲源和接收器間不能有大的遮擋物體，受噪聲和多次反射等幹擾較大。由於空氣中聲波的速度與氣壓、溼度、溫度有關，所以還必須在算法中做出相應的補償。

技術之三：電磁式運動捕捉

電磁式運動捕捉系統是比較常用的運動捕捉設備。優點：它記錄的是六維信息，同時得到空間位置，方向信息。速度快，實時性好，便於排演、調整和修改。裝置的定標比較簡單，技術較成熟，魯棒性好，成本相對低廉。缺點：對環境要求嚴格，表演場地附近不能有金屬物品，否則會造成電磁場畸變，影響精度。系統的允許表演範圍比光學式要小，特別是電纜對表演者的活動限制比較大，對於比較劇烈的運動和表演則不適用。

技術之四：光學式運動捕捉

光學式運動捕捉通過對目標上特定光點的監視和跟蹤來完成運動捕捉的任務。優點：表演者活動範圍大，無電纜、機械裝置的限制，表演者可以自由地表演，使用很方便。其採樣速率較高，可以滿足多數高速運動測量的需要。Marker數量可根據實際應用購置添加，便於系統擴充。缺點：系統價格昂貴，它可以捕捉實時運動，但後處理（包括 Marker 的識別、跟蹤、空間坐標的計算）的工作量較大，適合科研類應用。

技術之五：慣性導航式動作捕捉

通過慣性導航傳感器AHRS(航姿參考系統)、IMU(慣性測量單元)測量表演者運動加速度、方位、傾斜角等特性。

優點：不受環境幹擾影響，不怕遮擋。捕捉精確度高，採樣速度高，達到每秒1000次或更高。由於採用高集成晶片、模塊，體積小、尺寸小，重量輕，性價比高。慣導傳感器佩戴在表演者頭上，或通過17個傳感器組成數據服穿戴，通過USB線、藍牙、2.4Gzh DSSS無線等與主機相聯，分別可以跟蹤頭部、全身動作，實時顯示完整的動作。缺點：會產生累計誤差，精度相對光學的會比較低。

7、應用領域？

a、動畫製作

它極大地提高了動畫製作的效率，降低了成本，而且使動畫製作過程更為直觀，效果更為生動。隨著技術的進一步成熟，表演動畫技術將會得到越來越廣泛的應用，而運動捕捉技術作為表演動畫系統不可缺少的、最關鍵的部分，必然顯示出更加重要的地位。

b、提供新的人機互動手段

表情和動作是人類情緒、願望的重要表達形式，運動捕捉技術完成了將表情和動作數位化的工作，提供了新的人機互動手段。

比傳統的鍵盤、滑鼠更直接方便，不僅可以實現「三維滑鼠」和「手勢識別」，還使操作者能以自然的動作和表情直接控制計算機，並為最終實現可以理解人類表情、動作的計算機系統和機器人提供了技術基礎。

c、虛擬實境系統

為實現人與虛擬環境及系統的交互，必須確定參與者的頭部、手、身體等的位置與方向，準確地跟蹤測量參與者的動作，將這些動作實時檢測出來，以便將這些數據反饋給顯示和控制系統。這些工作對虛擬實境系統是必不可少的，這也正是運動捕捉技術的研究內容。

d、機器人控制

機器人將危險環境的信息傳送給控制者，控制者根據信息做出各種動作，運動捕捉系統將動作捕捉下來，實時傳送給機器人並控制其完成同樣的動作。

與傳統相比，這種系統可以實現更為直觀、細緻、複雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應付複雜情況的能力。在當前機器人全自主控制尚未成熟的情況下，這一技術有著特別重要的意義。

e、互動式遊戲

可利用運動捕捉技術捕捉遊戲者的各種動作，用以驅動遊戲環境中角色的動作，給遊戲者以一種全新的參與感受，加強遊戲的真實感和互動性。

f、體育訓練

運動捕捉技術可以捕捉運動員的動作，便於進行量化分析，結合人體生理學、物理學原理，研究改進的方法，使體育訓練擺脫純粹的依靠經驗的狀態，進入理論化、數位化的時代。還可以把成績差的運動員的動作捕捉下來，將其與優秀運動員的動作進行對比分析，從而幫助其訓練。

g、在人體工程學研究、模擬訓練、生物力學研究等領域，運動捕捉技術同樣大有可為。

隨著技術本身的發展和相關應用領域技術水平的提高，運動捕捉技術將會得到越來越廣泛的應用。

動作捕捉的優勢是什麼？維塔數碼視效總監 Anders Langlands ：「虛擬生物的生理結構和人類完全不同，把它們和人的表演從內到外融合起來，套上矽膠面具可做不到。比如，讓肌肉正確地移動，表現演員細微的情緒，只有 CG 最高效。」

「演員和角色之間有了更直接的聯繫，這不是說從特效師那裡奪走什麼，而是說，技術更依賴於人的表演。」就像把人性放進動物體內，拿到顯微鏡下觀察。而動作捕捉就像這臺顯微鏡，放大人性和獸性間一切細微的矛盾。為了表現這多層次的複雜情感，就必須通過一種超越猿類，但又不過於「像人」的表演

慣性動作捕捉新興廠商：丹麥初創公司 Rokoko 給出了一個低成本的方案：Smartsuit Pro，一件 2500 美元的衣服。這件衣服配置了 19 個感應器，分布在胳膊、腿、軀體等部位。它能夠記錄演員的身體動作，將數據存儲在小型硬碟裡，或者實時傳輸到計算機上。

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